射频微波电路与系统非线性建模与分析方法研究

Modeling and simulation analysis method are two important issues of CAD software for RF and Microwave circuit and system. Wideband, high data ratio or high peak to average power ratio communicaiton systems have characteristics of serious nonliearity. so, the investigation of nonlinear modeling and nonlinear analysis methods have of an important theoratical value and application value in order to improve the perfermance of its CAD software and then design nonliear systems more efficiently. This project tends to construct models and libraries of nonlinear devices and modules for RF and microwave systems utilizing theory of volterra series, neural network and nonlinear scattering function (X parameter), proposes the models with more excellent performance and lower complexity in various different application enviroment, including various simplifed Volterra models, different neural network structures ( fuzzy, wavelet and recurrent etc.) moedels and nonlinear scattering function models under complex situations, explores inverse modeling methods for device design, and improves theory of modeling. On the basis of theory of harmonic balance method and nonlinear scattering function, through example analysis, theoratical derivation, excitation signal choosing, programming and calculating, comparing and verifying, presents improved harmonic balance methods of full frequency field and solved algorithms of its equtions, explores theory and application of nonlinear scattering function for modeling and nonlinear analysis. Moreover, builds several typical communication simulation systems and validates their validity and system perfermance. Research achievements can be applied in current simulation tools for RF and microwave system, can provide theoratical basis for new developing tool, as well as support for accurate simulation of circuit and system.

建模与分析方法是构成射频微波电路与系统CAD软件的两大关键要素。宽带、高速、高峰均比通信系统使非线性更加突出，研究非线性建模与非线性分析方法等理论对CAD及非线性系统设计有重要的理论价值和实用价值。 本项目旨在利用Volterra级数、神经网络、非线性散射函数（X参数）等理论对射频微波非线性器件与模块建模建库，提出不同应用情况下性能更优、复杂度更低的模型算法，探索器件设计的逆向建模方法，完善模糊、小波神经网络、复杂条件下非线性散射函数等相关建模理论；在谐波平衡法和非线性散射函数法等非线性分析方法的研究基础上，通过实例分析、理论推导、激励信号选取、编程计算、方法对比和验证，提出改进全频域谐波平衡法及其快速求解算法，探索非线性散射函数（X参数）在建模与非线性分析中的理论和应用，同时利用所提模型和非线性分析方法构建典型通信仿真系统，验证有效性和系统性能。其理论成果可为电路和系统精确仿真提供支持。

随着通信技术的快速发展，CAD软件建模与优化对改善通信系统的性能具有重要意义。本项目在研究与设计通信系统关键模块的基础上，分别对其行为模型、非线性分析方法与求解算法进行研究，共发表基金资助相关论文48篇，申请和授权实用新型（发明）专利4项，拟出版专著2部，论文主要发表在《IET Circuits, Devices & Systems》、《微波学报》等期刊上。.模块设计方面，研究并设计开关类功放、宽带高效率功放、Doherty功放及双频功放等有源器件，同时研究超宽带双频、多陷波滤波器和微带读写器天线等无源器件，共发表论文21篇，其中提出满足经典E类功放和任意占空比条件下的suboptimal并联有限电感E类功放的设计公式，填补suboptimal并联有限电感E类功放设计的空缺；研究并设计L波段宽带高效率E类功放和连续型高效宽带功放，通过采用微带线结构、切比雪夫低通网络、含闭式解的宽带带通网络等方法设计输入输出匹配网络，抑制谐波，增加设计的灵活性。提出应用不同系统的超宽带滤波器和天线，其中紧凑型多陷波超宽带天线，在辐射贴片上增加U型槽和地板上蚀刻U型缝隙，使带宽可达2~16GHz，在3.2~3.8GHz，4.5~5.5GHz以及7.2~8.6GHz三个频段产生陷波特性。.模型算法方面，分别研究神经网络建模，X参数建模和简化伏特拉级数建模，共发表论文15篇，其中提出新颖改进神经网络逆向建模方法，采用正向模型和自适应最速下降法更正输入参数达到逆向建模的作用，应用于阻抗变换器设计中，相对于直接逆模型，提高设计速度和精度；提出基于粗糙集理论、模糊系统理论、小波等神经网络正向建模方法，避免算法陷入局部最优和过拟合现象。在其他建模方面，提出动态X参数模型、动态有理函数模型、伏特拉级数模型等。对所提模型建库并应用于系统仿真中，改善通信系统设计效果。.非线性分析方面，发表论文3篇，利用拟牛顿算法的局部搜索能力、遗传算法的全局优化能力、蜂群算法的自适应性等对算法改进，提出联合算法和基于BFGS策略的自适应蜂群算法，解精确度和收敛速度都得到改善，为仿真软件模拟引擎奠定理论基础。